Nanocelulozni materiali po zasnovi | 2020

Vsebina:

Anonim

Razred bioloških materialov, ki jih najdemo v številnih naravnih sistemih, predvsem drevesa, celulozni nanokristali, so raziskovalcem pritegnili pozornost zaradi njihove izjemne moči, žilavosti, majhne teže in elastičnosti. Materiali so tako močni in težki, da mnogi ljudje mislijo, da bi lahko zamenjali kevlar v balističnih jopičih in vojaških čeladah. Za razliko od njihovega izvornega materiala (lesa) so celulozni nanokristali pregledni, zato so zanimivi kandidati za zaščitna očala, okna ali zaslone.

Kljub ideji o materialih, ki temeljijo na nanocelulozi, je veliko razburjenja, toda realnost pogosto pade ravno.

"Teoretične lastnosti je težko uresničiti v poskusih," je dejal Sinan Keten iz Northwestern Engineeringa. "Raziskovalci bodo izdelali kompozitne materiale z nanocelulozo in ugotovili, da teoretično ne ustrezajo."

Keten, asistentka za strojništvo, civilno in okoljsko inženirstvo na inženirski šoli McCormick na univerzi Northwestern University, in njegova ekipa prinašata svet en korak bliže pristopu k oblikovanju materialov za oblikovanje nanokompozitov s celulozo. Razvili so nov, obsežen računalniški okvir, ki pojasnjuje, zakaj ti poskusi ne dajejo idealnega materiala in predlaga rešitve za odpravo teh pomanjkljivosti, zlasti s spreminjanjem kemije površin nanokristalov celuloze, da bi dosegli večje vodikove vezi s polimeri.

Raziskava je podprta s strani Vojnega raziskovalnega urada in Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo Nano črke . Xin Qin in Wenjie Xia, podiplomci v Ketenovem laboratoriju, so prvi avtorji prispevka. V študijo je sodeloval tudi Robert Sinko, še en diplomant v Ketenovem laboratoriju.

Najdeni v celičnih stenah lesa so celulozni nanokristali idealni kandidati za polimerne nanokompozite - materiale, kjer je sintetični polimerni matriks vgrajen z nanostopnimi delci polnila. Nanokompoziti so običajno sintetična polnila, kot so silicijev dioksid, glina ali saj, in se uporabljajo pri neštetih aplikacijah, od pnevmatik do biomaterialov.

"Celulozni nanokristali so privlačna alternativa, ker so naravno biološko razpoložljivi, obnovljivi, netoksični in relativno poceni," je dejal Keten. "Z lahkoto jih lahko pridobimo iz stranskih proizvodov lesne pulpe iz papirne industrije."

Problemi pa se pojavijo, ko raziskovalci poskušajo združiti delce nanoceluloznega polnila s polimerno matriko. Področje ni imelo razumevanja o tem, kako količina polnila vpliva na celotne lastnosti kompozita, kot tudi na naravo interakcij med matriko in polnilom.

Ketenova rešitev izboljša to razumevanje z osredotočanjem na dolžinske skale materialov in ne na naravo samih materialov. Z razumevanjem dejavnikov, ki vplivajo na lastnosti na atomski lestvici, lahko njegov računski pristop predvideva lastnosti nanokompozita, saj se povečuje v velikosti - z minimalno potrebo po eksperimentiranju.

"Namesto samo izdelave gradiva in njegovega testiranja, da bi videli, kakšne so njegove lastnosti, namesto tega strateško prilagodimo parametre oblikovanja, da bi v mislih razvili materiale z namenom, ki je ciljno usmerjeno," je dejal Sinko. "Ko izenačujete glasbo, lahko obrnete gumbe za nastavitev nizkih, visokih tonov itd., Da ustvarite želeni zvok.V materialih po zasnovi lahko podobno "obrnemo gumbe" določenih parametrov, da prilagodimo nastale lastnosti. "